Sonochemisch verbeterde Mannich-reacties
Mannich-reacties zijn belangrijke koolstof-koolstofbinding vormende reacties, die op grote schaal worden gebruikt in industrieën zoals de farmaceutische productie en de synthese van natuurlijke producten. Hoewel de meeste éénpotige Mannich-reacties zeer langzaam verlopen, zijn de positieve effecten van ultrasoonbehandeling op Mannich-reacties snel toegepast om de opbrengst en de reactiesnelheid te verbeteren en de traditioneel lange reactietijd in Mannich-reacties terug te brengen tot een korte procedure.
Sonochemie en de voordelen daarvan bij Mannich-reacties
De Mannich-reactie is een van de belangrijkste koolstof-koolstofbindingsvormende reacties in de organische synthese, omdat zij synthetisch en biologisch belangrijke 𝛽-aminocarbonylverbindingen oplevert, die belangrijke tussenproducten zijn voor de bouw van diverse stikstofhoudende natuurlijke producten en geneesmiddelen.
Ultrasoon inline-systeem voor sonochemische reacties, bv. voor verbeterde Mannich-reacties
Gebleken is dat ultrasone bestraling en de daarbij optredende sonochemische effecten de reactiekinetiek in Mannich-reacties drastisch versnellen, b.v. met een 13-voudige verkorting van de reactietijd van 20 uur tot 1,5 uur.
Ultrasoonbehandeling verbetert de één-pot Mannich reactie van ketonen, aldehyden en amines gekatalyseerd door een sulfaminezuur katalysator.
Schema aangepast van Zeng et al., 2009
- Aanzienlijk versnelde reactietijd
- hogere opbrengsten
- Nauwkeurig controleerbare omstandigheden
- temperatuurregeling
- batch en inline
- Groene chemie
Ultrasone Mannich Reactie van 𝛽-Aminocarbonylverbindingen
Sulfaminezuur (NH2ZO3H, SA) werd gebruikt als een efficiënte, goedkope, niet-toxische en recycleerbare groene katalysator voor de ultrasone éénpot-Mannichreactie van aldehyden met ketonen en aminen. Dit ultrasoon protocol heeft als voordelen een hoge opbrengst, milde condities, geen milieuvervuiling, en eenvoudige werkprocedures. Het belangrijkste is dat beta-aminocarbonylverbindingen met ortho gesubstitueerde aromatische amines voor het eerst met deze methode worden verkregen in aanvaardbare tot goede rendementen.
Sulfaminezuur als katalysator werd onderzocht en 10 mol% sulfaminezuur was voldoende om de reactie volledig aan te drijven tot 95% opbrengst in een aanzienlijk versnelde reactietijd van 1,5 uur (in vergelijking met hogesnelheidsroeren, waarmee slechts 85% opbrengst werd bereikt in ca. 20 uur). Dit onderstreept het welbekende feit dat ultrageluid en sonochemie organische reacties versnellen. De onderstaande tabel toont de significante voordelen van ultrasoonbehandeling boven hogesnelheidsroeren voor Mannich-reacties.
Uit de tabel blijkt dat ultrasoon gekatalyseerde Mannich-reacties aanzienlijk sneller en efficiënter zijn in vergelijking met roeren bij hoge snelheid.
Studie: © Zeng et al., 2009
Krachtige sonochemische apparatuur voor Mannich-reacties
Sonochemische apparatuur voor de synthese en katalyse van chemische producten zoals aminocarbonylverbindingen en andere tussenproducten is gemakkelijk verkrijgbaar in alle maten – van compacte ultrasoonapparatuur voor laboratoria tot volledig industriële ultrasoonreactoren. Hielscher Ultrasonics ontwerpt, vervaardigt en distribueert krachtige ultrasoonapparatuur. Alle ultrasoon systemen worden gemaakt in het hoofdkantoor in Teltow, Duitsland en van daaruit over de hele wereld gedistribueerd.
De geavanceerde hardware en slimme software van Hielscher ultrasoonapparaten zijn ontworpen om een betrouwbare werking, reproduceerbare resultaten en gebruiksvriendelijkheid te garanderen. De Hielscher ultrasooninstallaties zijn robuust en betrouwbaar, waardoor ze onder zware omstandigheden kunnen worden geïnstalleerd en gebruikt. Operationele instellingen kunnen eenvoudig worden opgevraagd en gekozen via een intuïtief menu, dat toegankelijk is via een digitaal kleuren touch-display en browser-afstandsbediening. Alle verwerkingscondities, zoals netto-energie, totale energie, amplitude, tijd, druk en temperatuur, worden automatisch geregistreerd op een ingebouwde SD-kaart. Dit stelt u in staat eerdere sonicatieruns te herzien en te vergelijken en de synthese en functionalisering van sonochemisch verbeterde reacties zoals de Mannich-reactie, Diels-Alder-reactie of Michael-additie te optimaliseren tot het hoogste rendement.
Hielscher ultrasoon systemen worden wereldwijd gebruikt voor sonochemische processen (sono-synthese en sono-katalyse) en hebben bewezen betrouwbare apparatuur te zijn in batch en continue in-line mode. Hielscher industriële ultrasooninstallaties kunnen probleemloos hoge amplitudes in continue bedrijf (24/7/365) draaien. Amplitudes tot 200µm kunnen gemakkelijk continu worden gegenereerd met standaard sonotrodes (ultrasone sondes / hoorns). Voor nog hogere amplitudes zijn aangepaste ultrasone sonotroden beschikbaar. Vanwege hun robuustheid en geringe onderhoud worden onze ultrasoonapparaten vaak geïnstalleerd voor zware toepassingen en in veeleisende omgevingen.
Hielscher ultrasone processoren voor sonochemische syntheses zijn wereldwijd al op commerciële schaal geïnstalleerd. Neem nu contact met ons op om uw sonochemisch gestuurde synthese via Mannich-reactie te bespreken! Onze ervaren medewerkers geven u graag meer informatie over het sonochemische synthesetraject, de ultrasone systemen en de prijzen!
Met het voordeel van de ultrasone synthese methode, zal uw chemische productie uitblinken in efficiëntie, eenvoud en lage kosten in vergelijking met andere katalytische synthese processen!
Onderstaande tabel geeft een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze ultrasonicators:
| batch Volume | Stroomsnelheid | Aanbevolen apparaten |
|---|---|---|
| 1 tot 500 ml | 10 tot 200 ml / min | UP100H |
| 10 tot 2000 ml | 20 tot 400 ml / min | Uf200 ः t, UP400St |
| 0.1 tot 20L | 0.2 tot 4L / min | UIP2000hdT |
| 10 tot 100L | 2 tot 10 l / min | UIP4000hdT |
| na | 10 tot 100 l / min | UIP16000 |
| na | grotere | cluster van UIP16000 |
Neem contact met ons op! / Vraag ons!
Hielscher Ultrasonics produceert hoogwaardige ultrasone homogenisatoren voor mengtoepassingen, dispersie, emulsificatie en extractie op laboratorium-, pilot- en industriële schaal.
Literatuur / Referenties
- Zeng H., Li H., Shao H. (2009): One-pot three-component Mannich-type reactions using sulfamic acid catalyst under ultrasound irradiation. Ultrasonics Sonochemistry16(6), 2009. 758-762.
- Suslick, Kenneth S.; Hyeon, Taeghwan; Fang, Mingming; Cichowlas, Andrzej A. (1995): Sonochemical synthesis of nanostructured catalysts. Materials Science and Engineering: A. Proceedings of the Symposium on Engineering of Nanostructured Materials. ScienceDirect 204 (1–2): 186–192.
- Bravo, José; Lopez, Ignacio; Cintas, Pedro; Silvero, Guadalupe; Arévalo, María (2006): Sonochemical cycloadditions in ionic liquids. Lessons from model cases involving common dienes and carbonyl dienophiles. Ultrasonics Sonochemistry 13, 2006. 408-414.
- Piotr Kwiatkowski, Krzysztof Dudziński, Dawid Łyżwa (2013): “Non-Classical” Activation of Organocatalytic Reaction. In: Peter I. Dalko (Ed.), Comprehensive Enantioselective Organocatalysis: Catalysts, Reactions, and Applications. John Wiley & Sons, 2013.
Feiten die de moeite waard zijn om te weten
Wat is de Mannich reactie?
De Mannich-reactie is gebaseerd op een meercomponentencondensatie van een niet-onoliseerbaar aldehyde, een primair of secundair amine en een enoliseerbare carbonylverbinding, waarbij aminomethylproducten worden verkregen. Het iminiumderivaat van het aldehyde fungeert als de acceptor in de Mannich-reactie.
De Mannich-reactie wordt in veel gebieden van de organische chemie gebruikt. Aangezien de Mannich-reactie kan worden uitgevoerd als een gemakkelijke éénpotreactie en ook kan worden opgezet als dubbele Mannich-reactie, wordt dit reactietype gebruikt voor de synthese van fijnchemicaliën, speciale chemicaliën, geneesmiddelen en natuurlijke stoffen (gebruikt in biosynthetische routes, met name voor de synthese van alkaloïden, peptiden en nucleotiden).
Bekende voorbeelden van chemische stoffen die via de Mannich-reactie worden gesynthetiseerd, zijn onder meer:
- alkylaminen
- peptiden, nucleotiden, antibiotica en alkaloïden (b.v. tropinon)
- landbouwchemicaliën, zoals plantengroeiregulatoren
- verven en polymeren
- katalysatoren
- formaldehyde weefsel verknoping
- geneesmiddelen en farmaceutische geneesmiddelen (b.v. rolitetracycline (het Mannich-product van tetracycline en pyrrolidine), fluoxetine (antidepressivum), tramadol en tolmetine (ontstekingsremmer).
- zeep en detergentia: De Mannich-reactie wordt gebruikt om alkylaminen te synthetiseren, waarbij niet-polaire koolwaterstoffen worden omgezet in zeep of detergenten. Deze verbindingen worden gebruikt in een groot aantal reinigingstoepassingen, brandstofbehandeling voor auto's en epoxycoatings
- polyetheramines van gesubstitueerde alkylethers met vertakte keten
- α,β-onverzadigde ketonen door de thermische afbraak van Mannich-reactieproducten (bv. methylvinylketon uit 1-diethylamino-butaan-3-on)
Hielscher Ultrasonics vervaardigt hoogwaardige ultrasone homogenisatoren van Laboratorium naar industrieel formaat.